Misure di gas disciolti

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1 Misure di gas disciolti Misura dell ossigeno Elettrodo di ossigeno L elettrodo Clark Misura di anidride carbonica Misurazione transcutanea dei gas nel sangue Monitoraggio transcutaneo di anidride carbonica Monitoraggio transcutaneo di ossigeno Page 1

2 Misura dell ossigeno Ruolo essenziale nella funzionalità cellulare. Necessità di strumenti semplici ed efficienti in grado di misurare l ossigeno presente nel sangue e nei tessuti. Il contenuto di ossigeno (o la concentrazione) è il volume di ossigeno (a 0 C e 760 mmhg) presente in un certo volume di soluzione e viene espresso comunemente in ml per 100 ml oppure ml per litro. In una soluzione in equilibrio con una miscela di gas contenente O 2, la concentrazione di O 2 in soluzione dipenderà, in generale, dalla pressione parziale dell ossigeno (PO 2 ). La concentrazione di ossigeno espressa in termini della sua pressione parziale PO 2 (quindi in mmhg) viene chiamata tensione di ossigeno. Page 2 La pressione totale esercitata da una miscela ideale di gas ideali è uguale alla somma delle pressioni parziali che sarebbero esercitate dai gas se fossero presenti da soli in un eguale volume. La pressione parziale di un componente di una miscela di gas è la pressione che questo avrebbe qualora occupasse, da solo, il volume a disposizione dell'intera miscela.

3 Misura dell ossigeno Con ossigeno semplicemente in soluzione e senza legami chimici con i costituenti della soluzione: la tensione di ossigeno è direttamente proporzionale alla concentrazione (legge di Henry). Se l ossigeno forma dei legami reversibili (come avviene nel sangue con l emoglobina), la relazione della concentrazione con la pressione parziale non è lineare. La saturazione di ossigeno viene definita come: (O 2 nel sangue legato all emoglobina/ Max. O 2 contenibile dal sangue) x 100. In particolare, quando la PO2 è elevata, l emoglobina presente nel sangue viene saturata, quindi la concentrazione di O2 (legato) nel sangue è massima. Page 3

4 Elettrodo di ossigeno (misura amperometrica) Elettrodo di un metallo nobile (in genere platino) polarizzato negativamente rispetto ad un elettrodo di riferimento. Analisi delle caratteristiche corrente-tensione derivanti dall analisi di soluzioni con diverse concentrazioni di ossigeno disciolto. Si impone una tensione e si misura la corrispondente corrente al variare della pressione parziale di O 2 Page 4

5 Misure amperometriche L'amperometria è una particolare misura voltammetrica effettuata a potenziale imposto, nella quale la corrente misurata è proporzionale alla concentrazione dell'analita elettroattivo. La misura della corrente senza ddp imposta è detta galvanometria. Si misura la corrente che si ottiene applicando all elettrodo di lavoro un opportuno potenziale. Dato che la corrente di diffusione è direttamente proporzionale alla concentrazione della sostanza, dalla lettura del valore di corrente risalgo alla stima della concentrazione della sostanza di interesse. Page 5

6 Elettrodo di ossigeno Le correnti tendono a crescere con la tensione, fino a raggiungere una zona di plateau in cui il loro valore è indipendente dalla variazione di tensione (componente diffusiva, sovratensione per diffusione). In questa regione del grafico, il valore della corrente è proporzionale al contenuto di ossigeno. Corrente ( µ A) Corrente ( µ A) Tensione (V) % ossigeno Page 6 Caratteristica corrente-tensione nell elettrodo di ossigeno.

7 La corrente deriva dal processo chimico che si sviluppa tra Catodo e Anodo: Reazione al Catodo: O 2 + 4H + + 4e - 2 H 2 O Reazione all Anodo: Ag + Cl AgCl + e Quindi per ogni molecola di ossigeno ridotta, vengono forniti quattro elettroni L andamento della curva I-V può essere spiegato nel modo seguente: Per piccole tensioni applicate, la corrente è principalmente limitata dal trasferimento elettronico dovuto alle reazioni redox. Per tensioni maggiori, il meccanismo è limitato dalla diffusione, l attività dell ossigeno sulla superficie dell elettrodo diventa nulla e la corrente misurata dipende dalla concentrazione di ossigeno nel bulk (che è la quantità che intendiamo misurare) Page 7

8 L elettrodo Clark Elettrodi di ossigeno dotati di stabilità e ampiamente utilizzati in ambito clinico (L. C. Clark teorizzo questo tipo di elettrodo nel 1956). Soluzione elettrolitica contenuta all interno dell elettrodo per trasportare l ossigeno da una membrana O 2 -permeabile al catodo metallico. Evitano i problemi di avvelenamento dell elettrodo dovuti alla deposizione di proteine sul catodo. Nessun contatto elettrico con la soluzione in esame e l elettrodo di riferimento è contenuto all interno del dispositivo stesso. Possibilità di misurare la tensione di ossigeno anche in mezzi non conduttivi (per esempio, mix di gas). Page 8

9 L elettrodo Clark (A) Elettrodo Pt (B) Elettrodo di riferimento Ag/AgCl (C) Soluzione elettrolitica KCl (D) Membrana permeabile a O2 realizzata in Teflon (E) Punti di sostegno della membrana (F) Tensione applicata (G) galvanometro (misuratore di corrente) Page 9

10 Misura di anidride carbonica Assieme alla PO 2 e al ph, la misurazione dell anidride carbonica presente nel sangue, costituisce uno strumento indispensabile nella diagnosi dei disturbi degli equilibri acido-base. Un aumento della PCO 2 nel sangue è un segno di una imminente crisi respiratoria. Le tecniche più rilevanti per la misurazione dell anidride carbonica nel sangue sono tre: 1. il metodo della concentrazione di CO 2 -ph; 2. il tonometro di Astrup; 3. l elettrodo di CO 2 ; L elettrodo di CO 2 ha fornito i risultati migliori in termini di distribuzione dell errore, di convenienza e di tempi di misura. Principio di funzionamento: l anidride carbonica presente nella soluzione da testare si porta all equilibrio con una soluzione acquosa. Qui la CO 2 reagisce con l acqua formando acido carbonico, quindi è sufficiente misurare il ph di questa soluzione per quantificare la PCO 2. Page 10

11 Misure di anidride carbonica La concentrazione di acido carbonico è proporzionale alla tensione di CO 2: S: solubilità CO 2 in acqua Per modificare il comportamento del sensore: membrane non molto permeabili alla CO 2, come il Teflon, forniscono maggiore accuratezza e stabilità a lungo termine rispetto a membrane più permeabili (Silastic) che, d altro canto, hanno una risposta più rapida. Page 11

12 Page 12 Misurazione transcutanea dei gas nel sangue I recenti progressi della strumentazione medica hanno fatto dell analisi transcutanea dei gas presenti nel sangue una tecnica universalmente accettata nella diagnosi e nel trattamento di diverse patologie polmonari, soprattutto in neonatologia. Le applicazioni cliniche più importanti comprendono: 1. la valutazione di squilibri acido-base e il rilevamento di iperossia (eccesso di ossigeno), 2. ipossia (carenza di ossigeno) 3. ipercapnia (eccesso di anidride carbonica). Tecniche elettrochimiche o spettrofotometriche su campione di sangue prelevato dal paziente (analisi in vitro). Al disagio causato al paziente si aggiungeva l impraticabilità di un monitoraggio continuo, importante nel caso di situazioni critiche in cui avvengono rapidi cambiamenti a livello cardiopolmonare. Tecniche non invasive per l analisi dell ossigeno e dell anidride carbonica presenti nel sangue. I due gas diffondono attraverso la pelle; Lo spettro di assorbimento ottico del sangue dipende dalla quantità di ossigeno in esso contenuta.

13 Questa ultima caratteristica è impiegata nei dispositivi optoelettronici (ossimetria ottica), L ossigeno è presente nel sangue in due stati. In condizioni fisiologiche normali, circa il 2% dell ossigeno presente nel sangue si trova disciolto nel plasma. Il restante 98% si trova legato reversibilmente all emoglobina. La pressione parziale dipende linearmente dall ossigeno disciolto e non linearmente da quello legato all emoglobina. Questa ultima relazione è di tipo sigmoide. Saturazione dell ossiemoglobina (%) Pressione parziale di O2 (mmhg) Curva di dissociazione dell ossiemoglobina. Dalla curva si vede che la PO 2 è un parametro indicato per la misurazione dei valori più alti di ossigenazione, mentre la saturazione di ossigeno (SO 2 ) manifesta una maggiore sensibilità nei casi di ipossemia (ossigeno sotto l 80%). Nel sangue arterioso la PO 2 è normalmente attorno ai 100 mmhg (SO 2 = 98%), mentre nel sangue venoso si hanno valori per PO 2 intorno ai 40 mmhg (SO 2 = 75%). Page 13

14 L anidride carbonica si può trovare disciolta oppure in combinazione con l emoglobina o altre proteine plasmatiche. Quella disciolta, reagisce con l acqua per formare acido carbonico che, a sua volta, si può dissociare in idrogeno e ioni bicarbonato. In condizioni normali di riposo, il 70% dell anidride carbonica nel sangue si trova nello stato appena descritto, il 7% viene trasportato semplicemente disciolto il 23% in combinazione con l emoglobina (carbamminoemoglobina). La quantità totale di anidride carbonica presente nel sangue dipende dalla pressione parziale. È importante notare che la relazione è funzione anche della PO 2, perché l ossigeno che si lega all emoglobina tende ad allontanare la CO 2 dal sangue. La PCO 2 è di circa 40 mmhg nel sangue arterioso e 45 mmhg in quello venoso. CO 2 disciolta Page 14 Curva di dissociazione dell anidride carbonica.

15 Il meccanismo attraverso cui le pressioni parziali di ossigeno ed anidride carbonica si rendono disponibili all esterno della pelle risiede nella permeabilità a questi gas dei due strati più superficiali della pelle stessa (strato corneo ed epidermide). Nello strato più profondo (derma) si trova una fitta rete di capillari organizzati in strutture prevalentemente verticali di circa 0,2-0,4 mm. Inoltre, il flusso di O 2 e CO 2 attraverso la pelle può aumentare anche di 30 volte in risposta ad un riscaldamento della superficie cutanea. In condizioni normali, la PO 2 misurata in prossimità della pelle è meno di 2,5 mmhg, ma se la zona interessata viene riscaldata fino a 43 C, la pressione parziale si porta a valori vicini a quelli sanguigni, forse a causa di cambi strutturali nello strato corneo. Page 15

16 Monitoraggio transcutaneo di anidride carbonica Tipico sensore di PCO 2 transcutaneo di tipo Clark. Costituito da un sensore di ph in vetro, con elettrodo di riferimento esterno ad Ag/AgCl concentrico, che fa anche da riscaldatore. Un elettrolita tampone (per esempio, HCO3-) è tenuto a contatto degli elettrodi per mezzo di una membrana CO 2 -permeabile. anello adesivo elettrodo di vetro elettrolita pelle membrana permeabile a CO 2 fluido di contatto elettrodo di riferimento e resistenza Sezione di un sensore transcutaneo di P CO2 Il riscaldamento causa un aumento della PCO 2 (diminuisce la solubilità dell anidride carbonica), una crescita del metabolismo locale ed una maggiore diffusione della CO 2 attraverso lo strato corneo della pelle. Quindi il valore della PCO 2 transcutanea risulta quasi sempre maggiore della corrispondente PCO 2 arteriosa. Nonostante questa differenza, la correlazione tra i due valori è soddisfacente e un opportuna calibrazione permette di aggirare il problema. Page 16

17 Monitoraggio transcutaneo di ossigeno Page 17 Struttura simile a quella di un analogo sensore di CO 2. Tre catodi di platino sigillati in vetro sono collegati ad un anodo cilindrico Ag/AgCl che li circonda. L elettrolita è un tampone a base di KCl con un piccolo contenuto d acqua, per evitare che il sensore si asciughi. Gli elettrodi sono ricoperti da un sottile strato di soluzione elettrolitica racchiusa da una membrana che consente una lenta diffusione dell ossigeno dalla pelle al sensore. Un elemento riscaldante porta la temperatura della pelle tra i 43 C e i 44 C. Il riscaldamento provoca una maggiore permeabilità dell ossigeno attraverso lo strato corneo della pelle ed una maggiore irrorazione del tessuto, in modo tale che la PO 2 dei capillari approssima con maggiore precisione quella del sangue arterioso. Di solito, questi sensori sono dotati di un anello autoadesivo in plastica simile a quello degli elettrodi usa e getta per ECG, in modo da impedire la fuoriuscita del gas. È necessario attendere dai 10 ai 15 minuti prima di avere una vasodilatazione ottimale, mentre dopo 5-6 ore di monitoraggio continuo, è consigliabile cambiare la posizione del sensore.